2.4GHz射频收发芯片nRF2401及其应用_无线通信论文
摘 要：本文介绍了工作于2.4ghz ism频段的射频收发芯片nrf2401的芯片结构、引脚功能、工作模式、接收与发送的工作流程，详细描述了nrf2401的器件配置，给出了应用电路图，分析了pcb设计时应该注意的问题，最后对全文进行了。
关键词：nrf2401；射频；无线通信；收发芯片
1. 引言
nrf2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5ghz ism频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dbm的功率发射时，工作电流只有10.5ma，接收时工作电流只有18ma，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其duoceivertm技术使nrf2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nrf2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。
2. 芯片结构、引脚说明
2.1 芯片结构
nrf2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、gfsk滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。qfn24引脚封装，外形尺寸只有5×5mm。nrf2401的功能模块如图1所示。
2.2 引脚说明
表1：nrf2401引脚
3. 工作模式
nrf2401有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nrf2401的工作模式由pwr_up 、ce、tx_en和cs三个引脚决定，详见表2。
表2：nrf2401工作模式
3.1 收发模式
nrf2401的收发模式有shockbursttm收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定，具体配置将在器件配置部分详细介绍。
3.1.1 shockbursttm收发模式
shockbursttm收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nrf2401的shockbursttm技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。
在shockbursttm收发模式下，nrf2401自动处理字头和crc校验码。在接收数据时，自动把字头和crc校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和crc校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。
3.1.1.1 shockbursttm发射流程
接口引脚为ce，clk1，data
a. 当微控制器有数据要发送时，其把ce置高，使nrf2401工作；
b. 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nrf2401；
c. 微控制器把ce置低，激发nrf2401进行shockbursttm发射；
d. nrf2401的shockbursttm发射
² 给射频前端供电；
² 射频数据打包(加字头、crc校验码)；
² 高速发射数据包；
² 发射完成，nrf2401进入空闲状态。
3.1.1.2 shockbursttm接收流程
接口引脚ce、dr1、clk1和data(接收通道1)
a. 配置本机地址和要接收的数据包大小；
b. 进入接收状态，把ce置高；
c. 200us后，nrf2401进入监视状态，等待数据包的到来；
d. 当接收到正确的数据包(正确的地址和crc校验码)，nrf2401自动把字头、地址和crc校验位移去；
e. nrf2401通过把dr1(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器；
f. 微控制器把数据从nrf2401移出；
g. 所有数据移完，nrf2401把dr1置低，此时，如果ce为高，则等待下一个数据包，如果ce为低，开始其它工作流程。
3.1.2直接收发模式
在直接收发模式下，nrf2401如传统的射频收发器一样工作。
3.1.2.1直接发送模式
接口引脚为ce、data
a. 当微控制器有数据要发送时，把ce置高；
b. nrf2401射频前端被激活；
c. 所有的射频协议必须在微控制器程序中进行处理(包括字头、地址和crc校验码)。
3.1.2.2直接接收模式
接口引脚为ce、clk1和data
a. 一旦nrf2401被配置为直接接收模式，data引脚将根据天线接收到的信号开始高低变化(由于噪声的存在)；
b. clk1引脚也开始工作；
c. 一旦接收到有效的字头，clk1引脚和data引脚将协调工作，把射频数据包以其被发射时的数据从data引脚送给微控制器；
d. 这头必须是8位；
e. dr引脚没用上，所有的地址和crc校验必须在微控制器内部进行。
3.2 配置模式
在配置模式，15字节的配置字被送到nrf2401，这通过cs、clk1和data三个引脚完成，具体的配置方法请参考本文的器件配置部分。
3.3 空闲模式
nrf2401的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4mhz时工作电流为12ua，外部晶振为16mhz时工作电流为32ua。在空闲模式下，配置字的内容保持在nrf2401片内。
3.4 关机模式
在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于1ua。关机模式下，配置字的内容也会被保持在nrf2401片内，这是该模式与断电状态最大的区别。
4. 器件配置
nrf2401的所有配置工作都是通过cs、clk1和data三个引脚完成，把其配置为shockbursttm收发模式需要15字节的配置字，而如把其配置为直接收发模式只需要2字节的配置字。由上文对nrf2401工作模式的介绍，我们可以知道，nrf2401一般工作于shockbursttm收发模式，这样，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高，因此，下文着重介绍把nrf2401配置为shockbursttm收发模式的器件配置方法。
shockbursttm的配置字使nrf2401能够处理射频协议，在配置完成后，在nrf2401工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间切换。shockbursttm的配置字可以分为以下四个部分：
数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数。这使得nrf2401能够区分接收数据包中的数据和crc校验码；
地址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数。这使得nrf2401能够区分地址和数据；
地址：接收数据的地址，有通道1的地址和通道2的地址；
crc：使nrf2401能够生成crc校验码和解码。
当使用nrf2401片内的crc技术时，要确保在配置字中crc校验被使能，并且发送和接收使用相同的协议。nrf2401配置字的各个位的描述如表3所示。
表3：nrf2401配置字描述
在配置模式下，注意保证pwr_up引脚为高电平，ce引脚为低电平。配置字从最高位开始，依次送入nrf2401。在cs引脚的下降沿，新送入的配置字开始工作。
5. 应用电路
图2为nrf2401的应用电路，由图可知，其只需要14个外围元件。nrf2401应用电路一般工作于3v，它可用多种低功耗微控制器进行控制。在设计过程中，设计者可使用单鞭天线或环形天线，上图为50欧姆单鞭天线的应用电路。在使用不同的天线时，为了得到尽可能大的收发距离，电感电容的参数应适当调整。
6. pcb设计
pcb设计对nrf2401的整体性能影响很大，所以pcb设计在nrf2401收发系统的开发过程中主要的工作之一，在pcb设计时，必须考虑到各种电磁干扰，注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意电容的位置。
nrf2401的pcb一般都是双层板，底层一般不放置元件，为地层，顶层的空余地方一般都敷上铜，这些敷铜通过过孔与底层的地相连。直流电源及电源滤波电容尽量靠近vdd引脚。nrf2401的供电电源应通过电容隔开，这样有利于给nrf2401提供稳定的电源。在pcb中，尽量多打一些通孔，使顶层和底层的地能够充分接触。
7. 结束语
nrf2401通过shockbursttm收发模式进行无线数据发送，收发可靠，其外形尺寸小，需要的外围元器件也少，因此，使用方便，在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。